在水利水电工程设计中数字地面模型的应用

2012-01-19刘胜

黑龙江水利科技 2012年9期

关键词：断面图三角网等高线

刘胜

(重庆市开县水务局，重庆开县405400)

在水利水电工程设计中数字地面模型的应用

刘胜

(重庆市开县水务局，重庆开县405400)

数字地面模型是对地面诸多特性空间分布进行描述的有序数值阵列，是对多种或某种地面特性空间分布的数字化描述。鉴于设计阶段于水利水电工程建设的重要性，概述了数字地面模型的内涵，并从等高线绘制、库容分析、断面图绘制、土石方量计算4个方面来就水利水电工程设计中数字地面模型的应用作出分析，意在为水利水电工程的实践设计提供借鉴与支持。

水利水电工程设计;数字地面模型;特性空间分布;应用;分析

随着计算机技术的不断发展和数字地面模型的日趋成熟，数字地面模型在灾情监控、资源调查、测绘遥感、水利工程勘测规划、地学分析、军事领域等多个领域得到了广泛的应用。一般情况下，水利水电工程的设计通常有多个方案，要选择最佳的方案，才能保证工程建设合理科学性。而要从根本上克服繁琐的选择，在短时间内完成多种方案的比较分析，就需要运用CAD技术。而数字地面模型就是水利水电工程设计中CAD技术应用的重要基础。因此，对水利水电工程设计中数字地面模型的应用进行探讨就显得十分必要，对于水利水电工程设计优化具有积极的现实意义。

1 数字地面模型的内涵概述

地形表面同一般数学曲面存在差异，有着较为复杂的形态，在表达和处理数学公式的选择上难以确定，通常应用插值法，以原有离散点为依据，来进行未知点高程的插补。数字地面模型分为TIN(不规则三角形网模型)和RSG(规则放个形网模型)两类，其中，TIN对于各种数据的分布密度均适用，利于各种地形特征信息的更新与直接利用，具有保持原有精度、可直接利用原始数据、适应不规则形状区域、高线算法简单、唯一性好等优点，因而成为应用最广的数字地面模型。

水利水电工程施工布置是施工组织设计的一项重要内容，由于其影响因素多，内容庞杂，因此，施工场地布置是一项复杂的工作本文就水利水电工程施工布置三维设计、重要施工设施厂址优选和布置方案优化3个方面进行了研究数字地面模型是施工三维布置的基础，在比较矩形网格和三角网格数字地面模型各自的特点的基础上，本文建立了三角网格数字地面模型基于三角网格数字地面模型可以较精确计算出在施工场地布置中所发生的土石方工程量，完成对堆渣场和场地平整设计，同时实现了土方填挖后的三维模型施工道路作为物料运输主要渠道，提出了用直纹曲面来表示施工道路的三维模型对以混凝土工程为主的水利水电工程施工布置而言，应着重布置混凝土生产系统，混凝土各生产系统之间关联度强、物料运输频繁，此时厂址选择是多个相关联厂址选择问题，借用企业物流中心上下游供应关系和物流中心选址数学模型，建立了料场、加工厂、拌和系统、浇筑点之间的物料运输模型将线性规划软件LINDO用于模型的求解，得到较为合理的厂址选择方案和物料运输方案在混凝土生产系统设施选址的基础上，通过分析设施间的邻接关系，构造出初步布置方案，由于布置方案影响因素多，因素复杂，认为施工布置中的模糊性应当受到重视.

2 水利水电工程设计中数字地面模型的应用分析

2.1 应用数字地面模型来进行等高线的绘制

等高线绘制是以数字地面模型为基础的，采用计算机来进行等高线的自动绘制，常用方法包括三角网法和格网法两种，相比于格网法，三角网法具有众多优势，故本文围绕三角网法来展开论述，运用三角网法来绘制等高线，制图的原始资料为离散点数据，将离散点中距离最近的三点构成三角形，每个三角形是一个空间面的表示，从而构成三角网，而三角形公共边就是这些面的交线，因此，原始数字模型信息可用三角形各顶点坐标来进行表示。如图1所示，为基于数字地面模型的等高线绘制图(等高距比例:1∶1 000)，在建立数字地面模型时，应遵循如下原则:①唯一的数字地面模型;②数字地面模型的组成为周围邻近观测点时，应尽量确保所有三角形均为三边长度近似相等或锐角三角形，从而避免过小锐角或过大钝角的出现;③确保三角形的构成为最邻近三点，即做到最小的边长之和;④不存在任意两三角形相交情况的出现。而在应用数字地面模型来绘制等高线时，则应对以下因素进行考虑:首先，曲线必须通过已知节点(等值点);其次，保持节点处曲线的光滑，即连续倒数;再次，曲线于相邻两节点不存在多余摆动;最后，等高线在同一高程不能相交。通常来讲，曲线光滑法能够满足前两点要求，但对后两点则难以完全满足，特别是在节点较稀疏或分布不均时，更为明显，而在三角网离散点分布较均匀、较密的情况下，运用5点光滑法则可满足后两点要求。

图1 基于数字地面模型的等高线绘制图

2.2 应用数字地面模型来分析库容

应用三角形法来构建数字地面模型，将库区进行若干三角形的微分，每个三角形均包含高程和平面的基本信息，只要赋予其对应值，就可在正常高水位平面投影成一个三角形，一一连接两个形的对应点，就可形成一个三菱主体，如图2所示，便可以此为依据，来对库容进行计算。取三点高差的平均值(h1+h2+h3)/3，运用三角形体积公式，V=S*h，之后叠加全部三菱柱体积，便可将库区的库容算出。而在计算和分析库区淹没面积时，则可赋予林地、土地、房屋等信息，之后对各类面积作出分类的统计，对于淹没所穿越三角形部分在淹没范围的情况，可用等值线追踪等值点的方面来进行处理，将高程等指点的平面位置计算出来。

图2 应用数字地面模型所形成的三菱柱体

2.3 应用数字地面模型来绘制断面图

在水利水电工程设计中，设计部门需要对设计线路所在断面的形状进行了解，而断面图则能够对断面形状作出较为直观、真实地反映。在实际应用中，断面图的绘制有两种形式:①任意方向和长度，来绘制某一桩距断面图;②中线走向、曲线元素、折点坐标、桩距已知，来绘制断面图。而这两种绘制方式，在数字断面模型的应用上，有着一样的算法原理。首先由相关人员负责对两端点位置的提供，后遂进行直线方程的建立，来计算数字地面模型三角网和直线的焦点坐标，设端点坐标 A(Ax，Ay)，B(Bx，By)，则直线方程式为:Y=Kx+b，式子中，K=(By-Ay)/(Bx-Ax)，b=By+Kay。首先，将直线所穿三角形找出，后对直线所穿边的内插高程值(涵盖起点与终点高程值)和焦点坐标进行计算，之后，便可就起点至近点距离作出计算，依次类推至终点，最后以距离和高程信息为依据，来将断面图绘制出来。

2.4 应用数字地面模型来计算土石方量

土石方量(坝型、坝轴线、土石方填筑量及开挖量)的计算是水利水电工程设计方案优选的一项重要依据，其常用方法包括断面法和三角网法(格网法)，前者用于对指定区域内土石方量的计算，其应用的关键是求得各个横断面面积，在各三角网和横断面的高程与交点坐标已知时，运用辛普生公式或梯形公式便可实现。而后者则能够对水利水电工程整体的填、挖方量作出计算，适用于总体的工程控制。